Vorlesung WS 2007/2008 VAK 02-03-5-AnC2-1 Johannes...

Einführung in die ChromatographieVorlesung WS 2007/2008

VAK 02-03-5-AnC2-1

Johannes Ranke

Einführung in die Chromatographie – p.1/36

Programm

23. 10. 2007 Trennmethoden im Überblick und Geschichte der Chromatographie30. 10. 2007 Thermodynamik der Stofftrennung06. 11. 2007 Stofftransport und intermolekulare Wechselwirkungen13. 11. 2007 Präparative Chromatographie und Dünnschichtchromatographie20. 11. 2007 Kenngrößen für die Säulenchromatographie27. 11. 2007 Gaschromatographie: Probenaufgabe und Trennsäulen04. 12. 2007 Gaschromatographie: Detektoren und Quantifizierung11. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Trennsäulen und Laufmittel18. 12. 2007 Flüssigkeits-Chromatographie: Gradienten und Detektion08. 01. 2008 Charakterisierung von Analyten in der Chromatographie15. 01. 2008 Ionenchromatographie22. 01. 2008 Gelpermeationschromatographie29. 01. 2008 Trenntechniken für die Probenvorbereitung05. 02. 2008 Beispiele aus Akademie und Praxis


Literatur

C. A. Lucy and P. HatsisIon chromatography. In: Chromatography, 6th editionJournal of Chromatography Library, Vol 69AElsevier, Amsterdam (2004).

C. Eith, M. Kolb, A. Seubert und K. H. ViehwegerPraktikum der Ionenchromatographie, Version 12Metrohm Monographie (2000).

C. F. PooleThe Essence of ChromatographyElsevier, Amsterdam (2003).


http://www.uni-marburg.de/fb15/ag-seubert/lehre/folien/Praktikum_der_Ionenchromatographie_12.pdf

Überblick

Allgemeines


Überblick

Allgemeines

Detektion


Überblick

Allgemeines

Detektion

Selektivität


State of the art

Abbildung 4.17 aus

Hydroxid-Gradient von 0.5 mM bis 40 mM. 1: Isopropylmethylphosphonat, 2: Chinasäure,3: Fluorid, 4: Acetat, 5: Propionat, 6: Formiat, 7: Methylsulfonat, 8: Pyruvat, 9: Chlorit,..., 13: Chlorid, ... 32: Isocitrat, 33: cis-Aconitat, 34: trans-Aconitat Poole (2003), p. 339


Allgemeines zurIonenchromatographie


Ionenchromatographie

Sammelbegriff für Methoden, in denen Ionen mitspeziell dafür ausgelegten Systemen analysiertwerden. Charakteristika:

Ionenaustauscher mit geringer Kapazität alsstationäre Phase





Eluenten enthalten gelöste Ionen






Meist isokratische Elution







Metallfreie Fließwege








Meist Einsatz einer Suppressortechnik








Meist Einsatz einer Suppressortechnik

Detektion über die Leitfähigkeit


Geschichte der Ionenchromatographie

1935 Sulfonierte und aminierte Kondensations-polymere (Phenol/Formaldehyd)

Thomson & Way

1942 Sulfonierte PS/DVB-Harze als Katione-naustauscher (Manhattan-Projekt)

d’Alelio

1947 Aminierte PS/DVB-Harze als Anione-naustauscher

McBurney

1953 Ionenausschlusschromatographie Wheaton, Baumann1959 Theoretische Grundlagen Helfferich1970 Pellikulare Ionenaustauscher Horvath, Kirkland1975 Leitfähigkeitsdetektion mittels "Stripper" Small, Stevens,

Baumann1979 Leitfähigkeitsdetektion ohne "Stripper" Gjerde u.a.1980 Ionenpaarchromatographie Waters, Bidling-

meier, Horvath


Anbieter von Kompaktanlagen

Schnelle Entwicklung der Gerätetechnik seit derPionierarbeit von Small, Stevens und Baumann [1].Wichtige Anbieter:

Dionex

[1] Anal Chem 47 1801 (1975)




Dionex

Metrohm

[1] Anal Chem 47 1801 (1975)




Dionex

Metrohm

Alltech

[1] Anal Chem 47 1801 (1975)


Trennmechanismen in der LC

Adsorption



Adsorption

Verteilung



Adsorption

Verteilung

Größenausschluss



Adsorption

Verteilung

Größenausschluss

Affinität



Adsorption

Verteilung

Größenausschluss

Affinität

Ionenaustausch



Adsorption

Verteilung

Größenausschluss

Affinität

Ionenaustausch

Ionenpaarbildung



Adsorption

Verteilung

Größenausschluss

Affinität

Ionenaustausch

Ionenpaarbildung

Ionenausschluss



Adsorption

Verteilung

Größenausschluss

Affinität

Ionenaustausch

Ionenpaarbildung

Ionenausschluss

Oft sind mehrere Mechanismen erklärungsrelevant.


Hauptanwendungen

Direkte Analyse im ppm- bis ppb-Bereich von

F−, Cl−, NO−2, Br−, NO−

3, HPO2−

4, SO2−

4


Hauptanwendungen


F−, Cl−, NO−2, Br−, NO−

3, HPO2−

4, SO2−

4

Li+, Na+, NH+4, K+,Mg2+, Ca2+,

kurzkettige Amine


Hauptanwendungen


F−, Cl−, NO−2, Br−, NO−

3, HPO2−

4, SO2−

4

Li+, Na+, NH+4, K+,Mg2+, Ca2+,

kurzkettige Amine

Anwendung in Industrie und Landbau, sowie imNahrungsmittel- und Umweltmonitoring


Ionenaustauschchromatographie

Abbildung 6 aus

Eith (2003), p. 15



Abbildung 6 aus

Harz SO−3E+ +A+ −↽⇀− Harz SO−3 A

++ E+

Eith (2003), p. 15



Abbildung 6 aus

Harz SO−3E+ +A+ −↽⇀− Harz SO−3 A

++ E+

Harz N+R3 E−+A− −↽⇀− Harz N+R3 A

−+ E−

Eith (2003), p. 15


Einsatz von Komplexbildnern

Abbildung 21 aus

Eith (2003), p. 40


Ionenpaarchromatographie

Abbildung 7 aus

Eith (2003), p. 17


Ionenausschlusschromatographie

Abbildung 8 aus

Eith (2003), p. 17



Abbildung 8 aus

Die Hydrathülle der stationären Phase wird durch einegedachte, negativ geladene Membran begrenzt. Anionenwerden von der Hydrathülle abgestossen.

Eith (2003), p. 17



Abbildung 9 aus

Eith (2003), p. 18


Detektion in derIonenchromatographie


Wichtigste Detektoren

Leitfähigkeitsdetektor (CD)




Amperometrischer Detektor





UV/VIS-Detektor, eventuell mitNachsäulenderivatisierung





UV/VIS-Detektor, eventuell mitNachsäulenderivatisierung

Massenspektrometrischer Detektor (MSD)


Leitfähigkeitsunterdrückung

Suppressor H++Na++E− −↽⇀− Suppressor Na++HE

Hintergrundleitfähigkeit abhängig vonHE −↽⇀− H+ + E−





pKS-Wert möglichst größer 7, für hoheEmpfindlichkeit und Linearität





pKS-Wert möglichst größer 7, für hoheEmpfindlichkeit und Linearität

Trend von HCO−3

(pKS von H2CO3 ist 6.35) zuOH− (pKS von Wasser ist 14)


Leitfähigkeitsdetektion

Leitfähigkeit κ zwischen zwei Elektroden der FlächeA und des Abstands L:

κ =L

AR


Leitfähigkeitsdetektion

Leitfähigkeit κ zwischen zwei Elektroden der FlächeA und des Abstands L:

κ =L

AR

R ist der elektrische Widerstand zwischen denElektroden, die Einheit von κ ist Siemens pro m,oder häufiger µS cm-1.


Equivalentleitfähigkeit

Die Equivalentleitfähigkeit Λ

Λ =κ

c

ist bei unendlicher Verdünnung von derKonzentration c unabhängig.


Equivalentleitfähigkeit

Die Equivalentleitfähigkeit Λ

Λ =κ

c

ist bei unendlicher Verdünnung von derKonzentration c unabhängig. Nach Kohlrausch:

κ =

∑

i

Λici


Beweglichkeit von Ionen

κ lässt sich auch in Abhängigkeit der Beweglichkeitui der verschiedenen Ionen ausdrücken

κ = e0

∑

i

ci |zi| ui

wobei ci die molare Konzentration des Ions i ist und|zi| der Betrag seiner Ladung.


Beweglichkeit von Ionen

κ lässt sich auch in Abhängigkeit der Beweglichkeitui der verschiedenen Ionen ausdrücken

κ = e0

∑

i

ci |zi| ui

wobei ci die molare Konzentration des Ions i ist und|zi| der Betrag seiner Ladung.ui ist die Wanderungsgeschwindigkeit wi bezogenauf die elektrische Feldstärke E:

ui =wi

E


Equivalentfähigkeit häufiger Ionen

H+ 350 OH− 198Li+ 39 F− 54Na+ 50 Cl− 76K+ 74 Br− 78NH+

473 I− 77

12Mg

2+ 53 NO−2 7212Ca

2+ 60 NO−3

7112Zn

2+ 52 HCO−3

4512Pb

2+ 71 12CO

−3

7213Fe

3+ 70 Acetat 4113N(Et)

+

433 1

2Phthalat 38Eith (2003), p. 29


Direkte und indirekte Detektion

Abbildung 13 aus

Eith (2003), p. 28


Packed-bed-Suppressoren

Abbildung 14 aus

Ionenaustauschsäulen müssen regeneriert werden. DasModell von Metrohm setzt 3 revolvierende Säulen ein, diejeweils vor dem Lauf geschaltet werden. Eith (2003), p. 30


Membransuppressoren

Abbildung 15 aus

Kontinuierlicher Betrieb, geringes Totvolumen

E+ wird durch H+ ersetzt, Bildung von HAEith (2003), p. 30


Membransuppressoren

Abbildung 4.2 a) aus

Hoher Schwefelsäurefluss nötig (ca. 5-10 mL/min 100mM H2SO4)

Lucy (2004), p. 179


Membransuppressoren

Abbildung 4.2 b) aus

in situ Generation von H+Lucy (2004), p. 179


Selektivität in derIonenchromatographie


Selektivitätskoeffizient

Gleichgewicht für den Anionenaustausch:


−+ E−





−+ E−

Selektivitätskoeffizient KA:

KA =[Harz N+R3 A

−][E−]

[Harz N+R3 E−][A−]=[A−]S[E

−]M[E−]S[A

−]M





−+ E−

Selektivitätskoeffizient KA:

KA =[Harz N+R3 A

−][E−]

[Harz N+R3 E−][A−]=[A−]S[E

−]M[E−]S[A

−]M

Da die Eluentionenkonzentrationen [E−]M und [E−]Snäherungsweise konstant sind, ist der Selektivitätskoef-fizient zum Verteilungskoeffizienten und damit auch zumKapazitätsfaktor proportional.


Eluenten: Betrieb mit Suppression

Ein oder mehrere Elektrolyten im millimolarenKonzentrationsbereich in Wasser, eventuellzusätzlich ein organisches, mit Wasser mischbaresLösemittel.

Eluentenstärke häufig eingesetzter Anionen:OH− < HCO−

3< CO2−

3





3< CO2−

3

Anionen schwacher Säuren können vor derDetektion unterdrückt werden





3< CO2−

3

Anionen schwacher Säuren können vor derDetektion unterdrückt werden

Für Kationen wird H+ verwendet, häufig ausSalzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure oderMethansulfonsäure


Eluenten: Betrieb ohne Suppression

Anionen aromatischer Carbonsäuren (z.B.o-Phthalat) mit geringer Äquivalentleitfähigkeit


Eluenten: Betrieb ohne Suppression

Anionen aromatischer Carbonsäuren (z.B.o-Phthalat) mit geringer Äquivalentleitfähigkeit

Kationen: H+ aus der Dissoziation schwacherorganischer Säuren wie Oxalsäure,Citronensäure und Weinsäure, die auch alsChelatbildner für mehrwertige Metall-Kationendienen


Stationäre Phasen in der IC

Abbildung 16 aus

Eith (2003), p. 32


Stationäre Phasen in der IC

Abbildung 16 aus

Oberflächenfunktionalisierung (links): hohe chemischeStabilität

Pellikulare Phasen: hohe chromatographische EffizienzEith (2003), p. 32


Anionenaustauscher

N+

RN

+

RN

+

R

OH

N+

R

OH

OH

OH

N+

R

OH

OH

TMA EDMA DMEA TEADEMA

Eine höhere Polarität ist günstig für die Elution mit OH−, dadieses eine geringe Elutionskraft hat.


Anionenaustauscher

N+

RN

+

RN

+

R

OH

N+

R

OH

OH

OH

N+

R

OH

OH

TMA EDMA DMEA TEADEMA

Eine höhere Polarität ist günstig für die Elution mit OH−, dadieses eine geringe Elutionskraft hat.

Einflüsse auf die Retention:

Coulomb-Distanz zwischen Anion und positiverLadung durch sterische Hinderung

Bindung der Hydrathülle durch polare Gruppen


Kapazität von Ionenaustauschern

Für analytische Anwendungen gilt in etwa:

Niederkapazitive Materialien: Q < 100 µmol/g

Q ist die Austauschkapazität des Packungsmaterials.





Mittelkapazitive Materialien: 100 µmol/g < Q <200 µmol/g






Mittelkapazitive Materialien: 100 µmol/g < Q <200 µmol/g

Hochkapazitive Materialien: Q > 100 µmol/g



Anionen mit/ohne Suppressor

Figure 4.4 aus

Lucy (2004), p. 183


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